基本軌鋁熱焊接頭裂紋原因分析

許鑫 楊其全 張倩 呂晶 王玉婷 王晨陽

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京100081

鐵路道岔是列車實現(xiàn)轉(zhuǎn)線和跨線運行的重要線路設(shè)備［1］。道岔轉(zhuǎn)轍器軌件包括尖軌和基本軌，基本軌除承受車輪的垂直壓力外，還與尖軌共同承受車輪的橫向水平推力，并保持尖軌穩(wěn)定［2］。基本軌與其他鋼軌件聯(lián)接一般采用鋁熱焊方式。鋁熱焊是目前國內(nèi)外無縫線路道岔聯(lián)合接頭焊接的主要方法，具有設(shè)備簡單、操作方便、適宜在線路上進(jìn)行焊接等優(yōu)點。無縫線路在區(qū)間鋪設(shè)完成后，在岔區(qū)采用鋁熱焊焊接工藝聯(lián)接成跨區(qū)間無縫線路，實現(xiàn)真正的無縫線路［3］。

為保證道岔區(qū)行車安全，各維護(hù)單位定期對道岔部件（含鋁熱焊接頭）進(jìn)行探傷檢查，為及時發(fā)現(xiàn)早期傷損、防止裂紋擴(kuò)展至斷裂做了大量工作，但仍不能完全避免傷損道岔的產(chǎn)生。據(jù)不完全統(tǒng)計，2005—2015年全路高速道岔共發(fā)生13起鋼軌傷損事件［4］。

一客運專線道岔基本軌鋁熱焊接頭在探傷檢查時發(fā)現(xiàn)在基本軌跟端鋁熱焊縫附近軌頭部位有橫向貫穿裂紋。本文通過在傷損鋁熱焊接頭取樣進(jìn)行理化檢驗，分析裂紋產(chǎn)生原因。

1 理化檢驗及分析

送檢傷損鋁熱焊接頭于2018年5月焊接，在同年11月探傷過程中發(fā)現(xiàn)傷損。焊接接頭的母材材質(zhì)為60 kg/m的U71Mn鋼軌。為確定裂紋位置及分布，對傷損鋁熱焊接頭踏面進(jìn)行磁粉探傷。制取條狀試樣將裂紋打開，對裂紋處斷口進(jìn)行宏觀形貌觀察、掃描電鏡微觀分析、顯微組織觀察和顯微維氏硬度測試，觀察裂紋源及附近顯微組織的形貌特征。

1.1 磁粉探傷結(jié)果及壓斷斷口宏觀形貌觀察

對送檢傷損鋁熱焊接頭踏面進(jìn)行磁粉探傷，結(jié)果見圖1。可以看出，在距離焊縫中心線53～65 mm區(qū)域內(nèi)有兩條裂紋，裂紋長度約為40 mm，裂紋呈橫向連續(xù)分布。

圖1 傷損鋁熱焊接頭踏面磁粉探傷結(jié)果

制取軌頭部位條狀試樣，用鋼軌靜彎機(jī)壓斷，斷口宏觀形貌見圖2。可以看出，裂紋位于踏面中部，已擴(kuò)展至軌頭內(nèi)部1.5 mm處，這一區(qū)域斷口顏色較深。

圖2 裂紋處壓斷斷口宏觀形貌

1.2 斷口掃描電鏡微觀分析

選取鋁熱焊焊縫一側(cè)斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，檢驗結(jié)果見圖3。可以看出：踏面下1.5 mm范圍內(nèi)為裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)，該區(qū)域能譜分析結(jié)果氧含量較高，表明該區(qū)域氧化銹蝕嚴(yán)重；部分?jǐn)嗫谝蚰雺鹤兤剑弑断驴捎^察到沿晶形貌；壓斷斷口為解理形貌。

圖3 裂紋處斷口掃描電鏡微觀形貌

1.3 顯微組織及顯微維氏硬度測試

為了觀察裂紋區(qū)域及附近區(qū)域的顯微組織特征，按圖2黑色虛線所示位置制取兩個金相試樣。試樣經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕后的宏觀形貌見圖4。圖中可觀察到不同顏色的區(qū)域，其中區(qū)域①、區(qū)域②為焊補區(qū)，區(qū)域③、區(qū)域④為焊補熱影響區(qū)，區(qū)域⑤為焊縫，區(qū)域⑥為焊縫熱影響區(qū)。分別對這6個區(qū)域進(jìn)行顯微組織檢驗和顯微維氏硬度檢測。

圖4 顯微組織試樣宏觀形貌

1）焊補區(qū)

焊補區(qū)宏觀為亮白色，在鋁熱焊接接頭的焊縫區(qū)內(nèi)，長度約8 mm，寬度約2 mm。焊補區(qū)顯微組織及顯微維氏硬度見圖5。可以看出：其顯微組織呈胞狀樹枝晶分布，組織為珠光體及沿晶分布細(xì)條狀鐵素體；該區(qū)域顯微維氏硬度平均值為292 HV0.3。

圖5 焊補區(qū)顯微組織及顯微維氏硬度（單位：HV0.3）

2）焊補熱影響區(qū)

焊補熱影響區(qū)宏觀為灰色，也在鋁熱焊接接頭的焊縫區(qū)內(nèi)，在該區(qū)域觀察到多處裂紋。焊補熱影響區(qū)顯微組織及顯微維氏硬度見圖6。可以看出：焊補熱影響區(qū)③的顯微組織為白色針狀馬氏體組織，顯微維氏硬度平均值為715 HV0.3；壓斷斷口的斷裂位置位于焊補熱影響區(qū)④內(nèi)，裂紋源腐蝕前后未觀察到異常組織（圖7），該區(qū)域顯微組織為回火態(tài)組織，顯微維氏硬度平均值為463 HV0.3。

圖6 焊補熱影響區(qū)顯微組織及顯微維氏硬度（單位：HV0.3）

圖7 裂紋源區(qū)及附近位置顯微組織形貌

3）其他區(qū)域

其他區(qū)域顯微組織及顯微維氏硬度值見圖8。可以看出：焊縫熱影響區(qū)顯微組織為片層狀珠光體組織，顯微維氏硬度平均值為324 HV0.3；焊縫顯微組織形貌為片層狀珠光體組織，還可觀察到未熔的白色鋁塊，顯微維氏硬度平均值為310 HV0.3。

圖8 其他區(qū)域顯微組織及顯微維氏硬度（單位：HV0.3）

2 裂紋原因分析

當(dāng)軌頭踏面出現(xiàn)掉塊、擦傷、低接頭等缺陷時，可采用焊補方法恢復(fù)軌面平順性，延長鋼軌使用壽命。TB/T 1631—2002《鋼軌電弧焊補技術(shù)條件》［5］對焊補用焊條材質(zhì)、電焊機(jī)、測溫儀、焊補范圍、焊補要求等作了具體規(guī)定，且為了確保焊補層及熱影響區(qū)不產(chǎn)生馬氏體組織，對預(yù)熱溫度進(jìn)行了規(guī)定。如果焊補前預(yù)熱不夠或焊后保溫不足，焊補層及熱影響區(qū)會出現(xiàn)馬氏體組織，脆性馬氏體組織在車輪碾壓過程中產(chǎn)生微小裂紋，隨后裂紋向周圍擴(kuò)展，嚴(yán)重時會發(fā)展成橫向疲勞斷裂［6-8］。

由鋁熱焊接頭宏微觀檢驗結(jié)果可知，傷損鋁熱焊接頭焊縫熔合線一側(cè)踏面經(jīng)過焊補，在焊補熱影響區(qū)存在馬氏體組織。馬氏體是硬而脆的組織且極易碎裂，當(dāng)列車通過時在輪軌接觸應(yīng)力下易在此處萌生裂紋并進(jìn)一步擴(kuò)展，因此送檢鋁熱焊接頭踏面橫向裂紋屬于焊接缺陷。TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》［9］明確規(guī)定焊縫和新鋼軌不應(yīng)焊補。因此，鋁熱焊接時應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定執(zhí)行。

3 結(jié)語

本文對線路探傷檢查發(fā)現(xiàn)的重傷基本軌鋁熱焊接頭進(jìn)行了磁粉探傷復(fù)核，在鋼軌踏面發(fā)現(xiàn)橫向貫穿裂紋，對裂紋處斷口進(jìn)行了宏觀形貌觀察、掃描電鏡微觀分析、顯微組織觀察，顯微維氏硬度測試，并根據(jù)檢驗結(jié)果分析裂紋產(chǎn)生的原因，認(rèn)為道岔基本軌鋁熱焊接頭踏面橫向裂紋屬于焊接缺陷。焊接接頭焊縫熔合線一側(cè)踏面經(jīng)過焊補，在焊補熱影響區(qū)存在馬氏體組織，列車通過時在輪軌接觸應(yīng)力下由馬氏體組織處萌生裂紋并進(jìn)一步擴(kuò)展。鋁熱焊接時應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行。